于海濤 徐強(qiáng)勝

（1.吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132022 2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 遼寧沈陽(yáng) 110015）

引言

掏挖擴(kuò)底樁作為抗拔樁基礎(chǔ)的一種主要形式，已廣泛地應(yīng)用在各種工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)中。相比平坡上的基礎(chǔ)，位于斜坡或陡坡地段的掏挖擴(kuò)底樁基礎(chǔ)表現(xiàn)出一些不同于平地基礎(chǔ)的特點(diǎn)。因此研究斜坡地形中影響擴(kuò)底樁承載的因素顯得尤為重要，對(duì)于降低工程造價(jià)、節(jié)約工程成本、保護(hù)環(huán)境等諸多方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 有限元模型的建立

以大型通用有限元軟件ANSYS12.0為工具，采用軸對(duì)稱(chēng)方法進(jìn)行模擬，由于ANSYS規(guī)定以Y軸為對(duì)稱(chēng)軸，在建立有限元模型時(shí)，豎向（樁身軸向）為Y軸，水平向?yàn)閄軸。樁、土均采用二維八節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元（solid45）模擬；土體為DP材料；樁與土體界面處設(shè)置接觸單元CONTAC173和TARGE170來(lái)模擬樁-土之間的滑動(dòng)和開(kāi)裂，選用庫(kù)侖摩擦類(lèi)型。

樁的徑向取8～10倍樁徑，樁底下取2～3倍樁長(zhǎng)；本文的計(jì)算區(qū)域徑向取9倍樁徑，樁底取2.5倍樁長(zhǎng)；在該區(qū)域底部與外側(cè)邊界全約束，軸對(duì)稱(chēng)處僅約束X向位移。

2 擴(kuò)底樁構(gòu)造對(duì)其抗拔承載力的影響

2.1 樁長(zhǎng)H的影響

分別對(duì)樁長(zhǎng)H=4m、8.5m、l5m、20m、25m。保持樁的其他尺寸不變，分別對(duì)對(duì)應(yīng)于上述不同樁的各工況進(jìn)行三維有限元計(jì)算，獲得Q-S曲線如圖1所示。另外，將各種樁長(zhǎng)下樁的極限抗拔承載力值繪于圖2。

分析圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)：從整體上看，樁的抗拔承載力隨著樁長(zhǎng)H的增加而增加。樁的抗拔承載力增加的原因是顯而易見(jiàn)的。一方面，樁長(zhǎng)的增加導(dǎo)致樁結(jié)構(gòu)本身自重的增加，這需要更大上拔力才能將其破壞；另一方面，樁長(zhǎng)的增加也增加了樁土的接觸面，增加了樁側(cè)摩阻力，因此這也需要更大上拔力才能將其破壞。另外，從上面兩圖還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁長(zhǎng)增大時(shí)，樁的極限抗拔承載力增加在H小于10m是時(shí)較緩，接著變化較快，當(dāng)H大于20m又變緩，但仍然有較大幅度的增加。這一點(diǎn)與平坡平坡地形擴(kuò)底樁隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律不同。

圖1 不同樁長(zhǎng)下的Q-S曲線

圖2 不同樁長(zhǎng)的極限荷載

2.2 擴(kuò)大頭直徑D的影響

掏挖擴(kuò)底樁的擴(kuò)大端是影響其抗拔承載力的一個(gè)重要因素。以斜坡地形上平頭擴(kuò)底樁為例，樁長(zhǎng)H=5m，樁徑d=1.2m。分別取D/d=1.25、1.67、2.08、2.5、2.91，即 D=1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m 等五種工況。保持樁的其他尺寸不變，樁與土的材料不變的情況下，分別對(duì)對(duì)應(yīng)于上述不同樁的各工況進(jìn)行三維有限元計(jì)算，得到Q-S曲線如圖3所示。另外，將各種擴(kuò)大頭直徑D下樁的極限抗拔承載力值繪于圖4。

從圖3和圖4可以看出，隨著樁徑D的增大，擴(kuò)底樁的抗拔承載力有較為顯著的提高。當(dāng)D/d小于3時(shí)，擴(kuò)底樁的抗拔承載力隨樁徑比D/d的變化基本上呈線性變化。

圖3 不同擴(kuò)底直徑下的Q-S曲線

圖4 上拔承載力隨樁徑比的變化曲線

2.3 擴(kuò)大頭平底高h(yuǎn)2的影響

掏挖擴(kuò)底樁的擴(kuò)大端是影響其抗拔承載力的一個(gè)重要因素。以斜坡地形上平頭擴(kuò)底樁為例，樁長(zhǎng)H=5m，樁徑d=1.2m，擴(kuò)大頭直徑D=2.5m。分別取h2=0.2m，0.3m，0.4m，0.5m等四種工況。保持樁的其他尺寸不變，分別對(duì)對(duì)應(yīng)于上述不同樁的各工況進(jìn)行三維有限元計(jì)算，得到Q-S曲線如圖5所示。另外，將各種擴(kuò)大頭直徑D下樁的極限抗拔承載力值繪于圖6。

圖5 不同平底高度的Q-S曲線

圖6 承載力隨h2的變化曲線

從圖5和圖6可知，隨著h2的增加，擴(kuò)底樁的抗拔承載力有所增加，究其原因是h2的增大增加了樁側(cè)與土的接觸面積，增加了樁側(cè)摩阻力。另一方面，h2的增大也可以增加樁的自重。如圖6所示，雖然隨著h2的增加，擴(kuò)底樁的抗拔承載力一直增加，亦即擴(kuò)底樁端部設(shè)計(jì)有一定的底高h(yuǎn)2從而提高其豎向承載力是可行的，但從整體上來(lái)看，通過(guò)增加h2增加擴(kuò)底樁的抗拔承載力是有限的。因此，通過(guò)擴(kuò)底樁端部設(shè)計(jì)有一定的底高提高其豎向承載力必須同時(shí)考慮到施工條件，增加混凝土用量和承載力提高的幅度等因素。

3 結(jié)論

（1）樁的抗拔承載力隨著樁長(zhǎng)H的增加而增加，在10～20m之間，變化較快。

（2）隨著樁徑D的增大，擴(kuò)底樁的抗拔承載力有較為顯著的提高。

（3）隨著擴(kuò)大頭平底高h(yuǎn)2的增加，擴(kuò)底樁的抗拔承載力有所增加，但從整體上來(lái)看，通過(guò)增加h2增加擴(kuò)底樁的抗拔承載力是有限的。